02.栈


栈的概念

栈是一种后进先出的数据结构
Last In First Out (LIFO)

栈的应用

无所不在的Undo操作(撤销)

栈要实现的接口

datastructure.stack.datastructure.linkedList.Stack

public interface datastructure.stack.datastructure.linkedList.Stack<E> {
    int getSize();
    boolean isEmpty();
    void push(E e);
    E pop();
    E peek();
}

栈所基于的可变数组类

public class datastructure.array.Array<E>{
    // 泛型不能存放基本的数据类型
    private E[] data;
    private int size;

    // 有参数构造函数
    public datastructure.array.Array(int capacity){
        // 泛型数组,由于历史遗留原因,必须绕一个圈
        data = (E[])new Object[capacity];
        size = 0;
    }

    // 无参构造函数
    public datastructure.array.Array(){
        this(10);
    }

    // 获取数组中个元素个数
    public int getSize(){
        return this.size;
    }

    // 获取数组的容量
    public int getCapacity(){
        return this.data.length;
    }

    // 返回数组是否为空
    public boolean isEmpty(){
        return  this.size == 0;
    }

    // 在第index个位置插入一个新的元素e
    public void add(int index, E e){

        if(index < 0 || index > size){
            throw new IllegalArgumentException("AddLast failed. require index>=0 and <=?");
        }

        // 扩容数组,如果
        if(size == data.length){
            E[] newData = (E[])new Object[data.length * 2];
            for(int i = 0; i < index;i++){
                newData[i] = data[i];
            }
            newData[index] = e;
            for(int i = index ; i < size;i++){
                newData[i+1] = data[i];
            }
            data = newData;
        } else {
            for(int i = size - 1; i >= index; i--)
                data[i + 1] = data[i];
            data[index] = e;
        }
        size ++;

    }

    // 向所有元素后面添加一个新元素
    public void addLast(E e){
        this.add(size, e);
    }

    // 向所有元素前面添加一个新元素
    public void addFirst(E e){
        this.add(0, e);
    }

    // 获取index索引位置的元素
    public E get(int index) {
        if(index < 0 || index >= size)
            throw new IllegalArgumentException("Get failed, Index is illegal.");
        return data[index];
    }

    public E getLast(){
        return get(size - 1);
        // 不用data[size - 1] 是因为没有异常处理
    }

    public E getFirst(){
        return get(0);
    }

    // 修改index索引位置的元素
    public void set(int index, E e) {
        if(index < 0 || index >= size)
            throw new IllegalArgumentException("Set failed, Index is illegal");
        data[index] = e;
    }

    // 查找数组中是否含有元素e,
    public boolean contains(E e){
        for(int i=0;i < size;i++){
            // 两个对象之间值的比较用equals
            if(data[i].equals(e))
                return true;
        }
        return false;
    }

    // 查找数组中是否含有元素e元素的索引,如果查到,返回查询到的第一个索引值,否则返回-1
    public int find(E e){
        for(int i=0;i < size;i++){
            if(data[i].equals(e))
                return i;
        }
        return -1;
    }

    // 删除指定位置的元素,防止复杂度的震荡,
    // 懒缩容。
    public E remove(int index){
        if(index < 0 || index >= size)
            throw new IllegalArgumentException("Remove failed, Index is illegal");
        E ret = data[index];
        if(size-1 == data.length / 4 && data.length / 2 != 0){
            // 懒惰缩容,防止复杂度震荡,当数组的size小于capacity的四分之一才开始缩容
            E[] newData = (E[])new Object[data.length / 2];
            for(int i = 0; i < index; i++){
                newData[i] = data[i];
            }
            for(int i = index; i < size - 1;i++){
                newData[i] = data[i+1];
            }
            data = newData;
        } else {
            for(int i = index; i < size-1;i ++)
                data[i] = data[i+1];
        }

        size --;
//        data[size] = null; // 回收内存,可选
//        // loitering objects != memory leak
        return ret;
    }

    // 删除的快捷方法
    public E removeFirst(){
        return remove(0);
    }
    public E removeLast(){
        return remove(size -1);
    }
    // 删除指定的元素e
    public void removeElement(E e){
        int index = find(e);
        if(index != -1){
            remove(index);
        }
    }
    @Override
    public String toString(){
        StringBuilder res = new StringBuilder();
//        res.append(String.format("datastructure.array.Array: size = %d , capacity = %d\n", size, data.length));
        res.append(String.format("datastructure.array.Array: size = %d , capacity = %d\n", size, data.length));
        res.append('[');
        for(int i = 0; i < size; i++) {
            res.append(data[i]);
            if(i != size - 1)
                res.append(", ");
        }
        res.append(']');
        return res.toString();
    }

    private void resize(int newCapacity){
        E[] newData = (E[])new Object[newCapacity];
        for(int i = 0; i < size; i++){
            newData[i] = data[i];
        }
        data = newData;
    }
}

栈的实现ArrayStack

public class datastructure.array.ArrayStack<E> implements datastructure.stack.datastructure.linkedList.Stack<E>{

    datastructure.array.Array<E> array;
    public datastructure.array.ArrayStack(int capacity){
        array = new datastructure.array.Array<>(capacity);
    }

    public datastructure.array.ArrayStack(){
        array = new datastructure.array.Array<>();
    }

    @Override
    public int getSize(){
        return array.getSize();
    }

    @Override
    public boolean isEmpty(){
        return array.isEmpty();
    }

    public int getCapacity(){
        return array.getCapacity();
    }

    @Override
    public void push(E e){
        array.addLast(e);
    }

    @Override
    public E pop(){
        return array.removeLast();
    }

    @Override
    public E peek(){
        return array.getLast();
    }

    @Override
    public String toString(){
        StringBuilder res = new StringBuilder();
        res.append("datastructure.stack.datastructure.linkedList.Stack: [");
        for(int i = 0; i < array.getSize(); i++){
            res.append(array.get(i));
            if(i != array.getSize() - 1)
                res.append(", ");
        }
        res.append("] top");
        return res.toString();
    }
}

栈的使用场景举例,判断括号的闭合合法性(假设字符串中只包含()[]{})

import java.util.datastructure.stack.datastructure.linkedList.Stack;
class datastructure.datastructure.linkedList.Solution {
    public boolean isValid(String s) {
        datastructure.array.ArrayStack<Character> stack = new datastructure.array.ArrayStack<>();
        for(int i = 0;i < s.length(); i++){
            char c = s.charAt(i);
            if(c == '(' || c == '[' || c == '{'){
                stack.push(c);
            } else {
                if(stack.isEmpty())
                    return false;

                char top = stack.pop();
                if(c == ')' && top != '('){
                    return false;
                }
                if(c == ']' && top != '['){
                    return false;
                }
                if(c == '}' && top != '{'){
                    return false;
                }
            }
        }
        return stack.isEmpty();
    }

    public static void main(String[] args){
        System.out.println((new datastructure.datastructure.linkedList.Solution()).isValid("[](){}"));
    }
}

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